水平軸風力機葉片氣彈建模與響應分析

陸 洋， 周桂林

（南京航空航天大學 旋翼動力學國防科技重點實驗室，江蘇 南京210016）

0 引 言

大型水平軸風力機系統是強非線性流－剛柔耦合的周期時變多體系統，結構和運動關系非常復雜，對風力機葉片進行動力學建模時必須考慮葉片的幾何非線性以及非定常氣動載荷等因素，理論推導和數值計算都比較困難。另一方面，隨著風力機額定功率不斷增加，葉片尺寸越來越大，細長葉片在交變載荷下的揮舞變形更大。為防止葉尖與塔架碰撞，出現了預彎葉片設計概念，增加了風力機葉片氣彈建模的難度。

風力機葉片氣彈建模包括葉片結構動力學建模和空氣動力學建模。文獻［1］采用模態分析法進行葉片結構動力學建模，采用Greenberg's二維準定常氣動力模型計算氣動力，研究了風力機氣彈穩定性；文獻［2］采用5節點18自由度梁單元對葉片進行有限元離散，采用二維準定常氣動模型，利用擬線性法計算了水平軸風機工作狀態下的氣動彈性響應；文獻［3］以Marc有限元軟件為基礎平臺，采用動量葉素理論二維氣動力模型，計算葉片的氣彈響應；文獻［4］采用二節點梁單元對葉片進行有限元離散，采用Leishman－Beddoes非定常模型計算氣動力，分析了葉片的動態響應。

可見，為了保證葉片響應的計算精度，有限元方法已逐漸替代模態法成為風力機葉片結構動力分析的主流方法，氣動力建模則仍以動量葉素理論和二維準定常氣動力模型為主。

然而，現有的葉片氣彈建模方法仍存在以下局限性：1）基于有限元方法的風力機動力學方程通常建立在非慣性系下，即處理動能部分時將其分為旋轉坐標系的動能和牽連運動引起的動能兩部分，破壞了推導和編程的一致性；……